KR102043950B1 - 전력변환장치 및 이를 포함하는 공기조화기 - Google Patents

Abstract

본 명세서는, 인버터의 불활성화로 인한 회생 전력으로 직류 링크 커패시터에 해당하는 직류 링크 전압의 급격한 증가를 방지하기 위해 상기 회생 전력에 의한 회생 전류를 다시 모터로 회귀시키거나, 전력 변환 장치 외부로 출력시켜 상기 회생 전력을 소모시킴으로써 안정적이고 효율적인 전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기를 제공한다.
이를 위하여, 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 입력 교류 전압을 정류하는 컨버터; 상기 컨버터에 병렬로 연결되고, 상기 정류된 입력 교류 전압을 근거로 직류 링크 전압을 출력하는 직류 링크 커패시터; 제어 신호에 따라 상기 직류 링크 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터; 및 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 모터에 의해 발생되고, 상기 인버터에 유입되는 회생 전력이 상기 모터에 의해 소모되도록 상기 인버터를 제어하는 것일 수 있다.

Description

전력변환장치 및 이를 포함하는 공기조화기{POWER CONVERTING APPARATUS AND AIR CONDITIONER HAVING THE SAME}

본 명세서에 개시된 기술은 인버터의 불활성화로 인한 회생 전력으로 직류 링크 커패시터에 해당하는 직류 링크 전압의 급격한 증가를 방지하기 위해 상기 회생 전력에 의한 회생 전류를 다시 모터로 회귀시키거나, 전력 변환 장치 외부로 출력시켜 상기 회생 전력을 소모시킴으로써 안정적이고 효율적인 전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기에 관한 것이다.

최근 공기조화기는 압축기의 구동 모터로서 주로 3상 모터를 사용한다. 3상 모터의 전력변환장치는 상용 전원인 교류를 직류로 변환한 후, 변환된 직류를 인버터를 이용하여 3상 모터에 인가함으로써 3상 모터를 구동시킨다.

공기조화기는 압축기, 팬 등에 전동기를 사용하며, 이를 구동하기 위한 전력변환장치를 사용하고 있다. 전력변환장치는 입력전원으로부터 제공된 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 변환된 직류전압을 펄스-폭 변조된(PWM:Pulse Width Modulation) 전압으로 다시 변환하여 부하에 공급한다.

한편, 공기조화기가 고성능, 고효율을 요구함에 따라 고조파 전류, 입력 역률, EMC 등의 문제가 발생한다. 예를 들어, 입력 전원 측으로의 고조파 전류 유입 및 입력 역률 특성이 안 좋아지는 경우, 전력계통에 접속된 다른 전기기기가 오동작을 일으킬 수 있고, 수명에 악영향을 주게 된다. 이러한 이유로, 각국에서는 전력품질 향상을 위해 역률, 고조파 등에 대한 규제를 강화하고 있다.

일반적으로 전력 변환 장치는 입력 교류 전원과 부하, 예를 들어 모터,의 사이에 컨버터와 인버터가 병렬 연결된다. 이때, 컨버터와 인버터의 사이에는 직류 링크 커패시터가 개재된다.

일반적인 전력 변환 장치는 컨버터(다이오드 정류 회로)를 이용하여 교류 전원으로부터 직류 전원을 얻은 뒤, 인버터를 이용하여 모터를 구동하였다. 이러한 방식은 컨버터의 특성상 에너지 회생이 불가능하여 제동 저항이 필요하게 된다. 또, 인버터에서 회생하는 순시 에너지의 흡수를 위하여 직류 링크 커패시터로 대용량의 전해 커패시터를 사용하여야 한다. 전해 커패시터를 사용하는 인버터를 이른바 노멀 인버터(normal inverter)라 한다. 전해 커패시터는 그 자체의 수명뿐 아니라, 입력 전원 전류의 고조파를 증대시킬 수 있다.

또한, 입력 전원 전류의 고조파를 억제하기 위하여 직류 또는 교류 리액터(AC reactor)를 더 구비하게 되고, 리액터(reactor)의 용량이 커짐에 따라 비용 및 제품의 부피, 무게가 증가하게 된다.

이에 따라 근래에는 직류 링크 커패시터로 대용량의 전해 커패시터를 사용하지 아니하고 저용량의 커패시터를 사용하는 인버터, 이른바 커패시터리스 인버터(capacitorless inverter)를 이용하여 전력 변환을 수행하는 전력 변환 장치에 대한 연구가 활발하다. 이러한 인버터는 종래의 인버터에 비해서 가격, 부피 면에서 장점을 갖는다.

한편, 인버터(Inverter)는 일정 또는 가변 직류 전원으로부터 가변 전압, 가변 주파수의 교류 전원을 발생시키는 장치로, 에너지 절약 및 출력 제어의 용이성 때문에 세탁기, 냉장고, 공기조화기 등의 전기제품에 사용되는 모터를 구동시킨다.인버터 회로를 이용하여 모터를 효율적으로 제어하기 위해서, 모터에 인가되는 전류를 검출하여 그에 따라 모터에 인가되는 전류를 펄스폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 방식으로 제어하는 방법 등이 사용된다.

일반적으로, 전력 변환 장치는 지능형 파워 모듈(Intelligent Power Module;IPM)을 포함하고, 상기 지능형 파워 모듈(IPM)은 상기 인버터를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.

운전 모드에 따라, IPM이 턴-오프되는 경우, 상기 인버터는 불활성화되어 모터에 인가되는 모터 구동 전압이 차단될 수 있다.

이 경우, 상기 모터에 의해 발생 되는 회생 전력이 상기 인버터에 유입되어 상기 직류 링크 커패시터에 전달될 수 있다.

따라서, 상기 IPM이 턴-오프되는 경우(또는 상기 인버터가 불활성화되는 경우)에 있어서, 상기 직류 링크 커패시터에 해당하는 직류 링크 전압이 급격하게 증가하는 문제점이 있을 수 있다.

본 명세서는 인버터의 불활성화로 인한 회생 전력으로 직류 링크 커패시터에 해당하는 직류 링크 전압의 급격한 증가를 방지하기 위해 상기 회생 전력에 의한 회생 전류를 다시 모터로 회귀시키거나, 전력 변환 장치 외부로 출력시켜 상기 회생 전력을 소모시킴으로써 안정적이고 효율적인 전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 전력 변환 장치는, 입력 교류 전압을 정류하는 컨버터; 상기 컨버터에 병렬로 연결되고, 상기 정류된 입력 교류 전압을 근거로 직류 링크 전압을 출력하는 직류 링크 커패시터; 제어 신호에 따라 상기 직류 링크 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터; 및 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 모터에 의해 발생되고, 상기 인버터에 유입되는 회생 전력이 상기 모터에 의해 소모되도록 상기 인버터를 제어하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 인버터는, 상기 제어 신호에 따른 상-암 소자 및 하-암 소자의 스위칭 동작을 근거로 상기 직류 링크 전압을 상기 모터 구동 전압으로 변환하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 모터에 의한 상기 회생 전력의 소모는, 상기 회생 전력에 의해 발생된 회생 전류가 상기 하-암 소자를 통하여 상기 모터로 회귀함에 의해 이루어지는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 제어 신호를 근거로 상기 상-암 소자가 턴-오프되고, 상기 하-암 소자가 턴-온되도록 상기 인버터를 제어하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 하-암 소자의 턴-온 시간은, 상기 직류 링크 전압에 따라 가변되는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 직류 링크 전압이 상기 입력 교류 전압의 피크 값의 일정 범위 내에 도달하는 경우, 상기 인버터에 대한 제어를 중지하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 모터가 상기 회생 전력을 소모함에 의해 상기 직류 링크 커패시터 양단의 급격한 전압 증가가 방지되는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 회생 전력은 상기 전력 변환 장치에 연결된 외부 장치에 출력되어 소모되는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 회생 전력에 해당하는 회생 전류가 상기 외부 장치로부터 상기 직류 링크 커패시터로 다시 유입되는 것을 방지하기 위한 역류 방지 다이오드를 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 회생 전력을 소모하는 회생 전력 방전 저항을 더 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 외부 장치는, SMPS(Switching Mode Power Supply) 및 펜(FAN)을 구동하는 펜 인버터 중 적어도 하나이고, 상기 회생 전력은, 상기 SMPS 또는 상기 펜 인버터의 입력단에 연결된 전해 커패시터 및 저항에 의해 소모되는 것일 수 있다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 변환 장치에 따르면, 인버터의 불활성화로 인한 회생 전력으로 직류 링크 커패시터에 해당하는 직류 링크 전압의 급격한 증가를 방지하기 위해 상기 회생 전력에 의한 회생 전류를 다시 모터로 회귀시키거나, 전력 변환 장치 외부로 출력시켜 상기 회생 전력을 소모시킴으로써 안정적이고 효율적인 전력변환장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기를 제공할 수 있는 이점이 있을 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 따른 전력변환장치를 보인 블록도
도 2 내지 도 3은 도 1에서의 컨버터의 예들을 상세히 보인 회로 구성도들이다
도 4는 본 발명에 따른 3상 모터의 제어 장치의 구성을 보인 블록도이다.
도 5는 도 4에서의 정현파 통전 방식 제어부의 구성을 보인 블록도이다.
도 6은 도 4에서의 구형파 통전 방식 제어부의 구성을 보인 블록도이다.
도 7은 정현파 통전 방식으로 모터 구동 시의 측정값들을 보인 그래프;
도 8은 구형파 통전 방식으로 모터 구동 시의 측정값들을 보인 그래프;
도 9는 인터리빙(Interleaving) 컨버터를 구비하는 전력 변환 장치의 일 예를 보여주는 예시도이다.
도 10은 IPM OFF시 발생하는 직류 링크 전압의 급격한 변화를 보여주는 예시도이다.
도 11은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타내는 예시도이다.
도 12는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 회생 전력의 소모 방법을 나타내는 예시도이다.
도 13은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 회생 전력의 또 다른 소모 방법을 나타내는 예시도이다.
도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치를 포함하는 공기조화기의 일 예를 보인 도이다.

본 명세서에 개시된 기술은 전력변환장치를 포함하는 공기조화기에 대해서만 설명하나, 압축기, 모터를 구비하는 다른 전기기기 등에도 동일하게 전력변환장치가 사용될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치를 포함하는 공기조화기

먼저, 도 14를 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 전력변환장치를 포함하는 공기조화기는, 후술하는 바와 같은 전력변환장치, 복수의 스위칭 소자들을 구비하고, 인버터 제어신호에 따라 상기 직류전원을 모터구동전압으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터와, 상기 모터구동전압에 따라 구동되는 구동 모터를 구비하는 압축기를 포함하여 구성된다.

상세히, 공기조화기는 공기 조화를 수행하는 하나 이상의 실내기와, 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기, 상기 압축기를 운전하는 모터, 및 상기 모터의 구동을 제어하는 제어 장치를 구비한다. 또, 상기 공기조화기는 하나 이상의 실내기와 배관을 통해 연결되어 상기 실내기를 구동하는 실외기를 포함한다. 상기 제어장치는 본 발명에 따른 전력변환장치를 포함하며, 상기 전력변환장치는 하나 이상의 전력변환장치용 스위칭 소자를 구비하고, 제어신호에 따라 상기 스위칭 소자를 구동하여 환류 경로를 생성함으로써 전력 효율을 보상한다. 또한 상기 전력변환장치는 상용 교류 전원의 교류 전압을 정류하여 정류 전압으로 변환하는 정류부를 포함하여 이루어진다.

실외기(10)는, 압축기에서 압축된 냉매를 공기와 열 교환하여 방열하는 증발기(13)와, 증발기에서 방열된 상기 냉매를 저온, 저압으로 팽창하는 팽창 밸브(14)와, 저온, 저압의 냉매를 물과 열 교환하는 응축기(15)와, 압축기(12)의 출구에 구비되어 압축기에서 압축된 냉매를 증발기(13) 또는 응축기(15)로 안내하는 냉매전환밸브(17)를 더 포함하여 구성된다.

도 14를 참조하면, 실외기(10)는, 케이스(11)의 내부에 압축기(12)와 증발기(13) 그리고 팽창 밸브(14)와 응축기(15)로 된 냉동사이클이 설치되고, 케이스(11)의 상면 또는 측면에는 외부의 공기를 흡입하여 증발기(13)와 열교환되도록 하기 위한 복수 개의 흡기팬(16)이 설치되며, 응축기(15)에는 실내기(20)들로 냉수 또는 온수를 공급하기 위한 매질순환관(30)이 연결된다. 그리고 압축기(12)의 출구에는 그 압축기(12)에서 압축되는 냉매를 운전조건에 따라 증발기 방향 또는 응축기 방향으로 전환하기 위한 냉매전환밸브(17)가 설치된다.

냉매전환밸브(17)는 통상 4방밸브로 이루어진다. 상기와 같은 실외기(10)는 하절기에는 냉방기로 운전을 하는 반면 동절기에 난방기로 전환하여 운전을 하게 된다. 예를 들어, 하절기에는 압축기(12)에서 고온,고압으로 압축된 냉매를 냉매전환밸브가 증발기(13)로 안내하여 그 증발기(13)에서 공기와 열교환되어 방열하고 팽창 밸브(14)에서 저온, 저압으로 만든 후 응축기(15)에서 물과 열교환되어 그 열교환된 물을 냉방 열원으로 사용하는 실내기(20)들에 공급한다. 한편, 동절기에는 냉매전환밸브(17)가 냉매를 응축기 방향으로 안내하여 고온, 고압의 냉매가 응축기(15)에서 물과 열교환되어 그 열교환된 물을 난방 열원으로 사용하는 실내기(20)들에 공급한다.

전력변환장치 및 이에 포함된 컨버터 구조에 대한 설명

도 1은 일 실시 예에 따른 전력변환장치를 보인 블록도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 전력변환장치는, 컨버터(200)와, 직류링크부(300)와, 제어부(400)를 포함하여 구성된다. 또, 상기 전력변환장치는 인버터(500)를 더 포함할 수 있다.

컨버터(200)는, 하나 이상의 스위치를 포함하고, 입력전원(100)을 직류전원으로 변환하며, 컨버터 제어신호에 따라 스위치를 동작하여 역률을 개선한다. 직류링크부(300)는 컨버터(200)의 후단에 연결된다. 인버터(500)는, 복수의 스위칭 소자들을 포함하고, 직류링크부(300)의 직류링크전압을 모터구동전압으로 변환하여 부하(예를 들어, 압축기 모터(600))에 출력한다. 제어부(400)는, 인버터(500) 내의 스위칭 소자에 인버터 제어신호를 발생하고, 컨버터(200) 내의 스위치에 컨버터 제어신호를 발생한다.

도 2 내지 도 3은 도 1에서의 컨버터의 예들을 상세히 보인 회로 구성도들이다.

도 2를 참조하면, 컨버터(200)는 정류부와, 역률개선부로 구분될 수 있다. 정류부는 입력전원(100)의 교류전압을 정류한다. 또한, 정류부와 역률개선부는 다이오드 브리지 회로를 공유한다. 입력전원(100)이 공급하는 교류전압을 전파정류하기 위해서는 일반적으로 네 개의 다이오드로 구성된 다이오드 브리지 회로가 필요하다. 물론, 역률개선부는 하나 이상의 스위치를 더 포함한다.

컨버터(200)는 컨버터 제어신호에 따라, 구비된 스위치를 동작하여 입력전원(100)의 역률을 개선한다. 구체적으로, 스위치를 온(on) 상태로 하여 입력전원의 전류를 환류하고 환류된 전류를 연결된 리액터에 저장함으로써 입력전류의 역률을 개선할 수 있다. 여기서, 스위치는 예를 들어, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT), MOSFET 등일 수 있다. 스위치는 컨버터 제어신호에 따라 입력전원(100)의 환류 경로를 단속한다. 즉, 컨버터 제어신호에 따라 스위치의 스위칭 동작이 이루어져서 입력전원이 환류된다.

제어부(400)는 컨버터(200)에 구비된 스위치를 통해 입력전원(100)의 경로와 단락전도시간을 제어한다. 여기서, 단락전도시간은 전류의 파형을 정류하기 위해 부하에 따라 또는 입력전원의 전력값에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 또한, 제어부(400)는 입력전원의 일단과 연결되면 제로 크로싱 지점(Zero Crossing Point)을 검출할 수 있다. 제어부(400)는 컨버터의 스위치를 도통하는 컨버터 제어신호를 발생하여 입력전원(100)의 환류 경로를 생성하게끔 한다. 또, 제어부는 검출된 부하의 크기에 따라 입력전원(100)의 단락전도시간을 제어하여 역률을 개선한다.

도 3에 도시한 바와 같이 리액터(200a)가 컨버터(200) 내에 구비될 수 있다.리액터는 고조파 성분을 제거하고 입력전원(100)의 전력 효율을 보상한다. 리액터는 컨버터(200)의 스위치가 도통되면, 입력전원(100)의 에너지를 저장하고 입력전원(100)을 단락시킨다. 즉, 제어부의 컨버터 제어신호에 따라 컨버터(200)의 스위치가 턴온되면 환류 경로가 형성되며, 이에 리액터는 입력전원(100)의 전력을 저장하고 입력전원(100)을 강제로 단락시킨다.

또한, 입력전원(100)과 리액터, 또는 입력전원(100)과 컨버터(200)의 사이에는 노이즈 필터(N/F)가 더 포함될 수 있다.

직류링크부(300)는 컨버터(200)에 의해 정류된 직류전압을 평활화한다. 상기 직류링크부(300)는 평활한 직류전압을 부하, 예를 들어 인버터 및 후단에 공급한다. 직류링크부(300)는 하나의 커패시터(DC Link Capacitor) 또는 이를 포함한 간단한 회로로 구성될 수 있다.

이때, 제어부(400)는, 입력전원(100)의 입력전류의 파형이, 전원주파수 및 입력전류의 피크값에 의해 결정되는 전류기울기를 추종하도록 컨버터의 스위치를 스위칭할 수 있다. 제어부(400)는 입력전원(100)의 전원주파수의 2배수 만큼 제로 크로싱 지점을 기준으로 일 회 또는 복수 회 동안 스위치를 스위칭하는 컨버터 제어신호를 발생하여 입력전류의 파형을 결정한다. 전력변환장치는, 부하의 소비전력, 입력전압, 직류링크전압에 대한 데이터를 이용하여 역률 및 하모닉 규제(Harmonics)를 만족하는 전류의 형태를 결정한다. 입력전류의 파형은, 전원주파수 및 입력전류의 피크값에 의해 결정되는 전류기울기를 추종한다. 입력전류의 파형은, 입력전압의 제로 크로싱 지점으로부터 일정시간의 지연시간, 전류기울기, 스위칭에 따른 전류리플, 스위칭 횟수, 및 직류링크전압 중 하나 이상의 인자에 의해 결정된다.

도 3은 또 다른 예의 컨버터(200)를 도시한다. 도 3을 참조하면, 컨버터(200)는 도 2와 마찬가지로 정류부(210)와 역률개선부(220)로 구분될 수 있다. 다만, 정류부와 역률개선부는 브리지 다이오드 회로를 공유하지 아니한다. 즉, 정류부(210)는 일반적으로 브리지 다이오드 회로로 구성되고, 역률개선부(220)는 인터리브드 컨버터(Interleaved Converter) 회로로 구성된다.

상기 인터리브드 컨버터(Interleaved Converter) 회로는 두개의 상의 전류를 제어하며 한 개의 상의 전류 위상에 지연을 주어 전류 리플을 서로 상쇄시켜 입력단 인덕터, 입력단 EMI 필터를 감소시키는 역할을 수행할 수 있다.

또한, 스위치(예를 들어, IGBT) 아래에 션트(shunt) 저항을 추가하고, 상기 션트 저항을 이용해 전류를 감지하여 제어부(예를 들어, Micom)에서 연산하고 상기 스위칭에 인가되는 제어 신호(또는 스위칭 신호)의 입력 듀티를 가변하여 전류제어를 수행할 수 있다.

따라서, 도 3에 개시된 인터리브드 컨버터(Interleaved Converter) 회로는 인터리빙 부스트(Boost) PFC(Power Factor Corrector)라고도 한다.

상기 인터리브드 컨버터(Interleaved Converter) 회로의 경우 2상이므로 단상 부스트 컨버터에 비해 전류정격이 1/2로 감소될 수 있다.

또한 인터리빙 효과로 동일한 스위칭 주파수에서 인덕터 부피를 감소시킬 수 있는 장점이 있을 수 있다.

역률개선부(220)는 두 쌍의 스위치와 전류 패스를 형성하는 다이오드로 구성된다. 스위치에는 각각 프리휠링 다이오드(Freewheeling Diode)가 연결될 수 있다. 또, 스위치들의 전단에는 각각 리액터가 연결될 수 있다. 역률개선부(220)를 구성하는 스위치들은 상호 보완적으로 동작한다. 이에 대한 상세한 설명은 일반적인 인터리브드 컨버터 회로의 동작과 같으므로 이하 생략한다.

상기 전력변환장치는 입력전원(100)의 입력전압을 검출하는 입력전압검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또, 상기 전력변환장치는 직류링크부(300)의 직류링크전압을 검출하는 직류링크전압검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

전력변환장치, 이에 포함된 인버터 구조 및 인버터 제어방법에 대한 설명

이하에서는 도 4 내지 도 8을 참조하여 일 예로서, 3상 모터에 적용되는 전력 변환 장치, 이에 포함된 인버터 구조 및 인버터 제어방법에 대해 설명한다.

도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 3상 모터의 제어 장치는, 입력 교류 전원(10)을 직류 전원으로 정류하는 컨버터(20)와, 3상 모터(100)의 전단에 구비되고, 인버터 제어 신호를 근거로 상기 직류 전원을 구동 전원으로 변환하여 상기 3상 모터(100)에 인가하는 인버터(40)와, 상기 컨버터(20)와 상기 인버터(40)의 사이에 구비되는 직류 링크 커패시터(30)와, 상기 인버터 제어 신호를 생성하여 출력하는 제어 유닛(50, 또는 제어부)을 포함하여 구성된다. 여기서, 3상 모터(100)로는 다양한 형태의 모터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 브러시리스 모터(Blushless DC motor; BLDC motor), 교류 전동기등이 사용될 수 있다. 이하에서는 브러시리스 모터를 기본 전제로 설명할 수 있으나, 다른 3상 모터에도 발명의 범위를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 동일하게 적용될 수 있다.

컨버터(20)는 입력 교류 전원(10)에 연결되고, 입력 교류 전원(10)으로부터의 교류를 직류로 정류한다. 컨버터(20)는 일반적으로 복수의 다이오드, 일반적으로 4개의 다이오드로 구성된 다이오드 브리지,를 구비하여, 다이오드들에 의해 교류 전원의 교류 전압을 전파 정류하고, 직류 전압으로 변환한다.

직류 링크 커패시터(30)는 컨버터(20)의 출력 단에 병렬 연결되고, 커패시터의 양단에 생기는 직류 전압, 즉 직류 링크 전압을 인버터(40)의 입력단으로 인가한다. 직류 링크 커패시터(30)는 인버터(40) 내의 스위칭 소자들이 스위칭하는 동안, 스위칭 주파수에 대응하여 발생하는 리플 전압(전압 변동)을 평활화한다. 또, 직류 링크 커패시터(30)는, 컨버터(20)에 따라 정류하는 전압, 즉 전원 전압에 따라 변동하는 전압을 평활화할 수 있다.

인버터(40)는 일 단이 직류 링크 커패시터(30)에 병렬 접속되고, 타 단이 3상 모터(100)에 접속되어, 인버터 제어 신호에 따라 직류 링크 커패시터(30)의 출력을 스위칭하여 모터 구동 전압, 일반적으로 삼상 교류로 변환하여 3상 모터(100)에 공급한다.

제어 유닛(50)은, 적어도 정현파 통전 방식 및 구형파 통전 방식을 포함한다. 또, 제어 유닛(50)은 3상 모터(100)에 대한 속도 지령을 근거로 정현파 통전 방식 또는 구형파 통전 방식을 선택하여 인버터 제어 신호를 생성한다. 정현파 통전 방식은 공간 벡터 펄스 폭 변조 방식(Space Vector Pulse Width Modulation; SVPWM), 불연속 펄스 폭 변조 방식(Discrete PWM; DPWM) 등을 포함한다. 또, 구형파 통전 방식은 이른바 120도 통전 방식이라 불린다.

도 4를 다시 참조하면, 3상 모터의 제어 장치는, 상기 인버터(40)로부터 상기 3상 모터(100)에 흐르는 구동 전류를 검출하는 구동 전류 검출 유닛(60)을 더 포함하여 구성된다. 제어 유닛(50)은 검출 전류와 지령 전류를 비교하여 인버터를 제어하는 인버터 제어 신호를 생성할 수 있다. 구동 전류 검출 유닛(60)은, 인버터(40)와 3상 모터의 사이에 연결되어 연속적으로 모터 구동 전류를 검출하는 전류 트랜스듀서(Current Transducer)일 수 있다. 전류 트랜스듀서는 모터 구동 전류를 검출하여 이를 전압 신호로 변환하여 제어 유닛(50)에 출력할 수 있다. 제어 유닛(50)은 인터럽트 신호를 발생하여 모터 구동 전류에 따른 전압 신호를 샘플링할 수 있다. 물론, 도 4에 도시한 바와 같이, 구동 전류 검출 유닛(60)은 인버터(40) 내의 스위칭 소자에 직렬 연결된 션트 저항일 수 있다. 도 4에서는 3상에 대하여 모두 구동 전류를 검출하도록 연결(3p)되어 있으나, 하나의 상에 대하여만 구동 전류를 검출하도록 연결(1p)될 수도 있다.

모터 구동 전류를 검출하여 3상 모터를 제어하는 경우에, 일반적으로 제어 유닛(50)은 상기 정현파 통전 방식이 이용될 수 있다. 정현파 통전 방식의 경우, 제어 장치는, 모터 구동 전류를 이용하여 센서리스 알고리즘, 예를 들어 전압 방정식, 자속 방정식, 확장된 역기전력 방정식,을 이용하여 전기각의 위치를 센싱한다. 정현파 통전 방식의 하나인 SVPWM 방식을 예로 들면, 3상의 6각 벡터도를 이용한다. 이 경우, 1상에서 다른 2상 또는 2상에서 다른 1상으로 전류가 흐르고, 3상의 펄스 폭 변조의 듀티의 변화가 서로 다르다. 일정한 출력 조건에 대하여 전기각에 따른 펄스 폭 변조 듀티가 변화된다. 진상 각 제어가 90도까지 가능해 고속에서의 제어 자유도가 높다.

도 5를 참조하면, 제어 유닛(50)은, 정현파 통진 방식으로 인버터(40)를 제어하는 정현파 통전 방식 제어부를 포함할 수 있다. 정현파 통전 방식 제어부는, 상기 속도 지령과 회전자 속도를 입력받고 속도 오차를 줄이는 전류 지령을 산출하여 출력하는 속도 제어부(511)와, 상기 전류 지령과 상기 구동 전류를 입력받고 전류 오차를 줄이는 전압 지령을 산출하여 출력하는 전류 제어부(513)와, 상기 전압 지령을 근거로 상기 인버터 제어 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 제어부(515)를 포함할 수 있다. 또, 정현파 통전 방식 제어부는, 3상을 d-q축의 2상으로 변환하는 축 변환부(517)를 더 포함할 수 있다. 또, 정현파 통전 방식 제어부는, 회전자 속도를 연산하여 속도 제어부(511)에 출력하는 속도 연산부(519)를 더 포함할 수 있다. 도 7은 정현파 통전 방식의 하나인 SVPWM으로 3상 모터를 구동하는 경우의 신호 측정값들을 보인 그래프이다. 도시한 바와 같이, 구동 전류를 검출하여 인버터 제어 신호를 생성하여 인버터를 통해 3상 모터의 U, V, W상의 게이트에 신호를 출력한다. 이때, 상 전류의 그래프가 정현파의 형태를 가질 수 있다.

속도 제어부(511)는, 사용자가 원하는 속도 지령(ω^* _m)과, 회전자 속도를 비교하는 비교기와, 속도 비례 적분 제어기(Proportional Integral Controller; PI)를 구비한다. 속도 제어부(511)는, 속도 지령과 회전자 속도를 입력받아 속도 오차를 비례 적분하여 q축 전류 지령(i^* _q)을 생성하고, 이를 전류 제어부(513)에 출력할 수 있다.

전류 제어부(513)는, 속도 제어부(511)에서 생성된 q축 전류 지령과 d축 전류 지령(i^* _d)을 입력받아 전압 지령을 생성하여 출력한다. 전류 제어부(513)는 q축 전류 지령을 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V^* _q)을 펄스 폭 변조 제어부(515)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(513)는 q축 전류 지령과 모터 구동 전류를 축 변환부(517)를 통해 축 변환한 q축 검출 전류(i_q)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 q축 전압 지령(V^* _q)을 펄스 폭 변조 제어부(515)에 출력한다. 한편, 전류 제어부(513)는 d축 전류 지령을 다른 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V^* _d)을 펄스 폭 변조 제어부(515)에 출력한다. 즉, 전류 제어부(513)는 d축 전류 지령과 모터 구동 전류를 축 변환한 d축 검출 전류(i_d)를 비교하고, 이의 차, 즉 전류 오차를 전류 비례 적분 제어기와 필터를 거쳐 d축 전압 지령(V^* _d)을 펄스 폭 변조 제어부(515)에 출력할 수 있다. 여기서, 상기 전압과 전류들은 동기 좌표계 상에서의 값들이다.

펄스 폭 변조 제어부(515)는, 먼저 상기 동기 좌표계의 전압 지령을 정지 좌표계(α,β)의 전압 지령으로 축 변환한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(515)는 (V^* _d, V^* _q)를 (V^* _α, V^* _β)로 변환한다. 또한, 펄스 폭 변조 제어부(515)는 정지 좌표계의 전압 지령을 구동하고자 하는 모터 형태에 맞게 변환하여 출력한다. 즉, 펄스 폭 변조 제어부(515)는 정지 좌표계의 전압 지령을 3상의 전압 지령 (V^* _u, V^* _v, V^* _w)으로 변환하여 인버터(40)에 출력할 수 있다.

도 4를 다시 참조하면, 3상 모터의 제어 장치는, 상기 인버터(40)로부터 상기 3상 모터(100)에 인가되는 구동 전압을 검출하는 구동 전압 검출 유닛(70)을 더 포함하여 구성된다. 여기서도 3상의 구동 전압을 모두 검출하는 것으로 도시하였으나, 1상의 구동 전압만 검출할 수 있다. 모터 구동 전압을 검출하여 3상 모터를 제어하는 경우에, 일반적으로 제어 유닛(50)은 상기 구형파 통전 방식을 이용한다. 구형파 통전 방식의 경우, 제어 장치는, 상 전압 검출로 도통되지 아니하는 구간에서 나타나는 역기전력의 제로 크로싱 지점을 검출한다. 구형파 통전 방식은 단순 PWM 온 듀티 제어를 수행한다. 즉, 구형파 통전 방식은 1상에서 1상으로 전류가 흐르고, PWM 스위칭은 한 상에서만 이루어지며, 일정 출력 조건에서 전기각에 따른 PWM 듀티 변화가 일정하다. 구형파 통전 방식은 전기각 위치를 역기전력으로 직접 검출하므로 동기 구동(운전)에 유리하다.

도 6을 참조하면, 제어 유닛(50)은, 상기 구형파 통전 방식으로 상기 인버터를 제어하는 구형파 통전 방식 제어부를 포함할 수 있다. 구형파 통전 방식 제어부는, 상기 속도 지령과 회전자 속도를 입력받고 속도 오차를 줄이는 상기 인버터 제어 신호에 대한 듀티를 산출하는 듀티 제어부(521)와, 상기 구동 전압을 근거로 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출부(523)를 포함하여 구성될 수 있다.

또, 구형파 통전 방식 제어부는, 회전자 속도를 연산하여 듀티 제어부(521)에 출력하는 속도 연산부(525)를 더 포함할 수 있다. 구형파 통전 방식 제어부는 속도 지령 또는 주파수 지령에 따라 구동 전류의 주파수를 설정하여 듀티를 제어하는 인버터 제어 신호를 인버터(40)에 출력할 수 있다. 도 8은 구형파 통전 방식의 하나인 120도 통전 방식으로 3상 모터를 구동하는 경우의 신호 측정값들을 보인 그래프이다. 도 4와 달리, 상 전류의 파형이 구형파의 형태를 가진다. 또, U상의 게이트에 게이트 신호가 인가되지 아니하는 경우가 있다. 제어 장치는 구동 전압을 검출하여 인버터 제어 신호를 생성하여 인버터를 통해 3상 모터의 U, V, W상의 게이트에 신호를 출력한다.

상기에서는 구동 전류를 이용하여 정현파 통전 방식으로 인버터를 제어하거나, 또는 구동 전압을 이용하여 구형파 통전 방식으로 인버터를 제어하는 경우에 대해서만 설명하였으나, 반대의 경우, 즉 구동 전류와, 구형파 통전 방식을 이용할 수 있고, 구동 전압과 정현파 통전 방식을 이용할 수도 있다. 또, 구동 전류 검출 유닛이나 구동 전압 검출 유닛을 별개로 구비할 수도 있으나, 본 명세서에 개시된 기술에 따르면, 두 검출 유닛을 모두 구비하는 것도 가능하다.

이하에서는 도 9 내지 도 13을 참조하여, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 인버터의 불활성화 시 모터에 의해 발생하는 회생 전력을 다시 모터로 회귀시키거나 전력 변환 장치 외부로 출력시켜 소모시키는 기능을 수행하는 전력 변환 장치, 이의 제어방법 및 전력변환장치를 포함하는 공기조화기에 대해 설명한다.

인버터의 불활성화 시 모터에 의해 발생하는 회생 전력에 대한 설명

도 9는 인버터 불활성화 시 발생하는 회생전력의 영향을 나타내는 예시도이다.

도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 입력 교류 전압을 정류하는 정류부(RU100)를 포함하는 컨버터, 상기 컨버터에 병렬로 연결되고, 상기 정류된 입력 교류 전압을 근거로 직류 링크 전압을 출력하는 직류 링크 커패시터(Cdc), 제어 신호에 따라 상기 직류 링크 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 모터(M100)에 출력하는 인버터(I100) 및 상기 제어 신호를 생성하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 전력 변환 장치는, 지능형 파워 모듈(Intelligent Power Module;IPM)을 포함하고, 상기 지능형 파워 모듈(IPM)은 상기 인버터(I100)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.

운전 모드에 따라, 상기 지능형 파워 모듈(IPM)이 턴-오프되는 경우, 상기 인버터는 불활성화되어 모터(M100)에 인가되는 모터 구동 전압이 차단될 수 있다.

이 경우, 상기 모터(M100)에 의해 발생 되는 회생 전력이 상기 인버터(I100)에 유입되어 상기 직류 링크 커패시터(Cdc)에 전달될 수 있다.

구체적으로, 상기 지능형 파워 모듈(IPM)이 턴-오프되는 경우(또는 상기 인버터가 불활성화되는 경우), 상기 모터(M100)에 역기전력 발생할 수 있다.

따라서, 상기 역기전력(또는 회생 전력, 회생 전압)에 의한 회생 전류가 도 9에 도시된 제 1 전류 경로(PR100)를 통하여 상기 인버터(I100) 및 직류 링크 커패시터(Cdc)에 유입될 수 있다.

이 경우, 상기 유입되는 회생 전류로 인해 상기 직류 링크 커패시터에 해당하는 직류 링크 전압(Vdc)이 급격하게 증가될 수 있다.

예를 들어, 커패시터리스 인버터(capacitorless inverter)인 경우, 전해 커패시터가 아닌 20 [uF]의 낮은 Film Capacitor가 사용되는 경우, 회생전압에 의한 직류 링크 전압이 급격히 상승할 수 있다.

도 10은 IPM OFF시 발생하는 직류 링크 전압의 급격한 변화를 보여주는 예시도이다.

도 10을 참조하면, IPM이 T1 시점에서 OFF되는 경우, 직류 링크 전압의 파형(SDC100)상에 회생 전력으로 인한 급격한 전압 증가를 확인할 수 있다.

도 10의 경우, 직류 링크 전압이 619V의 피크값을 나타냄을 확인할 수 있다.

인버터의 불활성화 시 발생하는 회생 전력이 모터에 의해 소모되도록 인버터를 제어하는 전력 변환 장치에 대한 설명

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 입력 교류 전압을 정류하는 컨버터, 상기 컨버터에 병렬로 연결되고, 상기 정류된 입력 교류 전압을 근거로 직류 링크 전압을 출력하는 직류 링크 커패시터, 제어 신호에 따라 상기 직류 링크 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터 및 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 모터에 의해 발생되고, 상기 인버터에 유입되는 회생 전력이 상기 모터에 의해 소모되도록 상기 인버터를 제어하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 인버터는, 상기 제어 신호에 따른 상-암 소자 및 하-암 소자의 스위칭 동작을 근거로 상기 직류 링크 전압을 상기 모터 구동 전압으로 변환하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 모터에 의한 상기 회생 전력의 소모는, 상기 회생 전력에 의해 발생된 회생 전류가 상기 하-암 소자를 통하여 상기 모터로 회귀함에 의해 이루어지는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 제어 신호를 근거로 상기 상-암 소자가 턴-오프되고, 상기 하-암 소자가 턴-온되도록 상기 인버터를 제어하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 하-암 소자의 턴-온 시간은, 상기 직류 링크 전압에 따라 가변되는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 직류 링크 전압이 상기 입력 교류 전압의 피크 값의 일정 범위 내에 도달하는 경우, 상기 인버터에 대한 제어를 중지하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 모터가 상기 회생 전력을 소모함에 의해 상기 직류 링크 커패시터 양단의 급격한 전압 증가가 방지되는 것일 수 있다.

도 11은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타내는 예시도이다.

도 11에 개시된 전력 변환 장치는 인버터의 불활성화 시 발생하는 회생 전력이 모터에 의해 소모되도록 인버터를 제어하는 기능을 수행할 수 있다.

도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 입력 교류 전압을 정류하는 정류부(RU100)를 포함하는 컨버터, 상기 컨버터에 병렬로 연결되고, 상기 정류된 입력 교류 전압을 근거로 직류 링크 전압을 출력하는 직류 링크 커패시터(Cdc), 제어 신호에 따라 상기 직류 링크 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 모터(M100)에 출력하는 인버터(I100) 및 상기 제어 신호를 생성하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 컨버터 및 상기 직류 링크 커패시터에 대한 기능 및 역할은 전술된 바와 유사하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

일 실시예에 따른 전력 변환 장치는 지능형 파워 모듈(Intelligent Power Module;IPM)을 포함할 수 있고, 상기 지능형 파워 모듈(IPM)은 상기 인버터(I100)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.

상기 인버터(I100)는 제어 신호에 따라 스위칭 동작하여 직류 링크 전압을 모터 구동 전압으로 변환할 수 있는 상-암 소자(또는 풀-업 스위칭 소자, SH100) 및 하-암 소자(또는 풀-다운 스위칭 소자, SL100)를 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 지능형 파워 모듈(IPM)이 턴-오프되는 경우, 상기 인버터(I100)는 불활성화될 수 있어 상기 모터 구동 전압이 차단될 수 있다(또는 정상적인 모터 구동 전압이 생성되지 않을 수 있다).

이 경우, 모터(M100)에 의해 회생 전력이 발생할 수 있고, 상기 발생된 회생 전력에 의한 회생 전류가 상기 인버터(I100)에 유입되어 상기 인버터(I100)에 연결된 직류 링크 커패시터(Cdc)의 직류 링크 전압(Vdc)가 급격히 상승할 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 상기 인버터(I100)가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 모터(M100)에 의해 발생 되고, 상기 인버터(I100)에 유입되는 회생 전력이 상기 모터(M100)에 의해 소모되도록 상기 인버터(I100)를 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 회생 전류는 상기 모터(M100)에 존재하는 기생 성분(예를 들어, 기생 저항)들에 의해 소모되거나, 상기 모터(M100)를 역방향으로 기동(또는 구동)하는 데 소모될 수 있다.

상기 회생 전류가 상기 모터(M100)를 역방향으로 기동하는데 사용되더라도, 실질적으로 상기 모터(M100)는 거의 회전하지 않을 수 있다(회생 전력 자체가 크지 않기 때문일 수 있다).

일 실시예에 따르면, 상기 모터(M100)에 의한 상기 회생 전력의 소모는, 상기 회생 전력에 의해 발생된 회생 전류가 하-암 소자(SL100)를 통하여 상기 모터(M100)로 회귀함에 의해 이루어지는 것일 수 있다.

이 경우, 상기 제어부는, 상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 제어 신호를 근거로 상기 상-암 소자가 턴-오프되고, 상기 하-암 소자가 턴-온되도록 상기 인버터(I100)를 제어하는 것일 수 있다.

도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 상기 하-암 소자(SL100)에 의한 회생 전류의 회귀 경로(PR200)를 확인할 수 있다.

도 11에서는 상기 인버터(I100)이 포함하고 있는 모든 하-암 소자를 통하여 상기 회생 전류가 상기 모터(M100)로 회귀하는 경우를 보여주고 있지만, 다른 실시예로, 상기 하-암 소자(SL100) 중 일부만으로 상기 회생 전류를 상기 모터(M100)으로 회귀시킬 수 있다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 하-암 소자(SL100)의 턴-온 시간은, 상기 직류 링크 전압(Vdc)에 따라 가변되는 것일 수 있다. 이는 발생되는 회생 전력(또는 회생 전압)의 크기에 따른 가변되는 직류 링크 전압(Vdc)이 다를 수 있고, 이에 따라 상기 하-암 소자(SL100)의 턴-온 시간을 가변시킴으로써, 효율적으로 상기 하-암 소자(SL100)를 제어하기 위한 것일 수 있다.

예를 들어, 상기 회생 전류에 의한 상기 직류 링크 전압(Vdc)이 증가가 커짐에 따라 상기 하-암 소자의 턴-온 시간도 증가하는 것일 수 있다(비례 관계).

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 직류 링크 전압(Vdc)이 상기 입력 교류 전압(Vin)의 피크 값의 일정 범위 내에 도달하는 경우, 상기 인버터(I100)에 대한 제어를 중지하는 것일 수 있다.

즉, 상기 제어부는, 상기 하-암 소자(SL100)를 턴-온 시킨 후, 상기 직류 링크 전압(Vdc)이 안정화되어, 큰 전압에서 상기 입력 교류 전압(Vin)의 피크 값의 일정 범위 내에 도달하는 경우, 상기 인버터(I100)에 대한 제어를 중지할 수 있다.

상술된 방식으로 인버터가 제어됨으로써, 상기 모터(M100)가 상기 회생 전력을 소모함에 의해 상기 직류 링크 커패시터(Cdc) 양단의 급격한 전압 증가가 방지될 수 있는 장점이 발생할 수 있다.

인버터의 불활성화 시 발생하는 회생 전력을 외부로 출력시켜 소모되도록 하는 기능을 구비하는 전력 변환 장치에 대한 설명

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 인버터의 불활성화 시 발생하는 회생 전력을 외부로 출력시켜 소모되도록 하는 기능을 구비하는 전력 변환 장치는, 상술된 실시예들이 포함하고 있는 구성 또는 단계의 일부 또는 조합으로 구현되거나 실시예들의 조합으로 구현될 수 있으며, 이하에서는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 인버터의 불활성화 시 발생하는 회생 전력을 외부로 출력시켜 소모되도록 하는 기능을 구비하는 전력 변환 장치의 명확한 표현을 위해 중복되는 부분을 생략할 수 있다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 입력 교류 전압을 정류하는 컨버터, 상기 컨버터에 병렬로 연결되고, 상기 정류된 입력 교류 전압을 근거로 직류 링크 전압을 출력하는 직류 링크 커패시터, 제어 신호에 따라 상기 직류 링크 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터 및 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 모터에 의해 발생되고, 상기 인버터에 유입되는 회생 전력이 상기 전력 변환 장치에 연결된 외부 장치에 출력되어 소모되는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 모터에 의해 발생되고, 상기 인버터에 유입되는 회생 전력이 상기 모터에 의해 소모되도록 상기 인버터를 제어하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 외부 장치는, SMPS(Switching Mode Power Supply) 및 펜(FAN)을 구동하는 펜 인버터 중 적어도 하나이고, 상기 회생 전력은, 상기 SMPS 또는 상기 펜 인버터의 입력단에 연결된 전해 커패시터 및 저항에 의해 소모되는 것일 수 있다.

도 12는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 회생 전력의 소모 방법을 나타내는 예시도이다.

도 12를 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 인버터가 불활성화된 경우(또는 IPM 턴-오프시), 상기 회생 전력에 해당하는 회생 전류가 상기 외부 장치로부터 상기 직류 링크 커패시터로 다시 유입되는 것을 방지하기 위한 역류 방지 다이오드(D)를 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 전력 변환 장치는, 상기 회생 전력을 소모하는 회생 전력 방전 저항(Rc)을 더 포함할 수 있다.

도 12의 경우, 인버터가 불활성화되어, 회생 전류가 인버터로 유입되면, 상기 회생 전류는 상기 회생 전력 방전 저항(Rc)에 의해 일부 소모되고, 상기 회생 전력 방지 저항(Rc) 및 상기 역류 방지 다이오드(D)를 통하여 외부장치인 SMPS(Switching Mode Power Supply)로 출력될 수 있다.

이 경우, 상기 회생 전류는 상기 SMPS의 돌입 전류 방지 저항(Rd1) 및 SMPS의 입력 저항(Rs1)에 의해 일부 소모되고, 상기 SMPS의 입력 커패시터(Cs1)을 충전하는데 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 SMPS의 입력 커패시터(Cs1)는 용량이 큰 전해 커패시터일 수 있다.

즉, 인버터 불활성화 시, 다이오드 및 저항들을 통해 SMPS의 전해 커패시터가 상기 회생 전류에 해당하는 에너지를 흡수할 수 있다.

따라서, 상기 회생 전력이 상기 SMPS의 입력단에 흡수되는바 직류 링크 커패시터의 직류 링크 전압의 급격한 증가가 방지될 수 있다.

도 13은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 회생 전력의 또 다른 소모 방법을 나타내는 예시도이다.

도 13을 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전력 변환 장치는, 도 12와 마찬가지로 인버터가 불활성화된 경우(또는 IPM 턴-오프시), 상기 회생 전력에 해당하는 회생 전류가 상기 외부 장치로부터 상기 직류 링크 커패시터로 다시 유입되는 것을 방지하기 위한 역류 방지 다이오드(D)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 전력 변환 장치는, 상기 회생 전력을 소모하는 회생 전력 방전 저항(Rc)을 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 회생 전류는 상기 FAN INVERTER의 돌입 전류 방지 저항(Rd2) 및 FAN INVERTER의 입력 저항(Rs2)에 의해 일부 소모되고, 상기 FAN INVERTER의 입력 커패시터(Cs2)을 충전하는데 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 FAN INVERTER의 입력 커패시터(Cs1)는 용량이 큰 전해 커패시터일 수 있다.

즉, 인버터 불활성화 시, 다이오드 및 저항들을 통해 FAN INVERTER의 전해 커패시터가 상기 회생 전류에 해당하는 에너지를 흡수할 수 있다.

따라서, 상기 회생 전력이 상기 FAN INVERTER의 입력단에 흡수되는바 직류 링크 커패시터의 직류 링크 전압의 급격한 증가가 방지될 수 있다.

본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Vin: 입력전원 RU100: 정류부
I100: 인버터 IPM: 지능형 파워 모듈

Claims (11)

1. 입력 교류 전압을 정류하는 컨버터;
   상기 컨버터에 병렬로 연결되고, 상기 정류된 입력 교류 전압을 근거로 직류 링크 전압을 출력하는 직류 링크 커패시터;
   제어 신호에 따라 상기 직류 링크 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 모터에 출력하는 인버터;
   상기 직류 링크 커패시터와 상기 인버터 사이에서 분기되어, 상기 인버터가 불활성되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우 상기 모터에 의해 발생되고 상기 인버터에 유입되는 회생 전력에 해당하는 회생 전류를 통과시키며, SMPS(Switching Mode Power Supply) 또는 펜(FAN)으로부터 상기 직류 링크 커패시터로 전류의 유입을 방지하는 역류 방지 다이오드;
   상기 역류 방지 다이오드의 타단에 연결되어, 상기 회생 전류의 일부를 소모하는 회생 전력 방전 저항;
   상기 회생 전류를 소모하기 위해 상기 회생 전력 방전 저항에 연결되며, 상기 SMPS 또는 상기 펜의 입력단에 연결되는 입력 저항;
   상기 입력 저항과 병렬 연결되며, 상기 회생 전류에 해당하는 에너지를 흡수하는 전해 커패시터; 및
   상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는,
   상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우, 상기 모터에 의해 발생되고, 상기 인버터에 유입되는 회생 전력이 상기 모터에 의해 소모되도록 상기 인버터를 제어하며,
   상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우,
   상기 회생 전력은 상기 SMPS 및 상기 펜을 구동하는 펜 인버터 중 적어도 하나에 출력되어, 상기 SMPS 또는 상기 펜 인버터의 입력단에 연결된 상기 회생 전력 방전 저항, 상기 전해 커패시터 및 상기 입력 저항에 의해 소모되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 인버터는,
   상기 제어 신호에 따른 상-암 소자 및 하-암 소자의 스위칭 동작을 근거로 상기 직류 링크 전압을 상기 모터 구동 전압으로 변환하는 것인 전력 변환 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 모터에 의한 상기 회생 전력의 소모는,
   상기 회생 전력에 의해 발생된 회생 전류가 상기 하-암 소자를 통하여 상기 모터로 회귀함에 의해 이루어지는 것인 전력 변환 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 인버터가 불활성화되어 상기 모터 구동 전압이 차단된 경우,
   상기 제어 신호를 근거로 상기 상-암 소자가 턴-오프되고, 상기 하-암 소자가 턴-온되도록 상기 인버터를 제어하는 것인 전력 변환 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 하-암 소자의 턴-온 시간은,
   상기 직류 링크 전압에 따라 가변되는 것인 전력 변환 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 직류 링크 전압이 상기 입력 교류 전압의 피크 값의 일정 범위 내에 도달하는 경우, 상기 인버터에 대한 제어를 중지하는 것인 전력 변환 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 모터가 상기 회생 전력을 소모함에 의해 상기 직류 링크 커패시터 양단의 급격한 전압 증가가 방지되는 것인 전력 변환 장치.
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